Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Blitzschnelles Zeitlupen-Mikroskop verfolgt die Bewegung eines einzelnen Moleküls

10.11.2016

Einer Forschergruppe der Universität Regensburg ist es mit Hilfe eines neu entwickelten, ultraschnellen Rastertunnelmikroskops zum ersten Mal gelungen, bewegte Bilder von einzelnen Molekülen aufzuzeichnen.

Die uns umgebende gasförmige, flüssige und feste Materie besteht aus Atomen und Molekülen. Diese elementaren Bausteine sind so winzig, dass man eine eigene Längeneinheit eingeführt hat, um ihre typische Größe zu beschreiben: 1 Ångström = 0,0000000001 Meter.


Einzelne Pentacen Moleküle vibrieren auf einer Goldoberfläche.

Dominik Peller

Im alltäglichen Leben können wir Atome und Moleküle nicht einzeln beobachten, da sie selbst für die besten Lichtmikroskope tausendfach zu klein sind. Seit einigen Jahren lassen sich scheinbar ruhende Moleküle aber mithilfe ausgeklügelter nicht-optischer Mikroskope, etwa mit sogenannten Rastertunnelmikroskopen, direkt abbilden.

Atome und Moleküle sind jedoch auch in augenscheinlich regloser Materie in ständiger Bewegung. Auf der unglaublich kurzen Zeitskala von Femtosekunden flitzen, rotieren und vibrieren sie rasant durch ihre atomare Umgebung. Eine Femtosekunde ist dabei der millionste Teil einer Milliardstel Sekunde, also 0,000000000000001 Sekunde.

Die Dynamik von Atomen und Molekülen ist maßgeblich dafür verantwortlich, wie sich Materie makroskopisch verhält; sie bestimmt chemische Reaktionen, biomolekulare Vorgänge in Lebewesen und wichtige Prozesse in der modernen Nanoelektronik. Ein Traum vieler Physiker, Chemiker, Biologen, Mediziner und Materialwissenschaftler war es daher seit Langem, die Bewegung einzelner Moleküle direkt zu sehen. Hierfür wäre ein Mikroskop nötig, das viele Milliarden mal schneller als die schnellsten elektronischen Kameras ist – eine Vorstellung, die bisher als Utopie galt.

Einer internationalen Forschergruppe an der Universität Regensburg ist dieser Durchbruch nun gelungen. Das Team um Prof. Rupert Huber und Prof. Jascha Repp, beide vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg, hatte es sich zum Ziel gesetzt, erstmals bewegte Bilder von einzelnen Molekülen aufzuzeichnen.

Dafür haben die Regensburger Physiker ein einzigartiges ultraschnelles Rastertunnelmikroskop entwickelt. Das Prinzip der Rastertunnelmikroskopie ähnelt dem eines Plattenspielers: Eine spitze Nadel wird über eine Oberfläche bewegt, um deren Relief abzutasten. Diese Nadel ist so scharf, dass ihre Spitze aus nur einem einzigen Atom besteht.

Außerdem berührt sie die Oberfläche nicht, sondern schwebt wenige Atomabstände darüber. Ein quantenmechanischer Effekt, der sich „Tunneln“ nennt, ermöglicht es dabei, dass die Spitze als winzige, berührungslose Sonde verwendet werden kann, um Strukturen kleiner als ein einzelnes Molekül zu ertasten.

Das Zeitfenster, in dem das Tunneln geschieht, sollte dabei – ähnlich der Belichtungszeit einer Fotokamera – möglichst kurz sein, um hohe Zeitauflösung zu erreichen. Im Prinzip lässt sich dieses Zeitfenster einschränken, indem man die elektrische Vorspannung zwischen Spitze und Oberfläche nur ganz kurz anlegt. Um ganz besonders schnell zu sein, entwickelten die Forscher einen raffinierten Trick: Sie benutzten das elektrische Trägerfeld eines ultrakurzen Lichtblitzes als Vorspannung. Innerhalb einer Zeitspanne, die kürzer ist als eine Halbschwingung von Licht, konnten sie so einzelne Elektronen vom Molekül auf die Spitze tunneln lassen.

Damit wurde es möglich, zum ersten Mal einen Femtosekunden-Schnappschuss eines einzelnen Moleküls direkt in Raum und Zeit anzufertigen. Darüber hinaus konnten die Forscher im ersten Femtosekunden-Zeitlupenfilm eines einzelnen Moleküls verfolgen, wie ein Pentacen-Molekül auf der Oberfläche schwingt – mit einer Periode schneller als ein Billionstel einer Sekunde und einer Amplitude von wenigen Hundertstel eines Ångström!

Auf den nun zugänglichen Längen- und Zeitskalen wird die Natur unmittelbar und augenfällig von den verblüffenden Gesetzen der Quantenmechanik dominiert. Die neue Möglichkeit, Bewegungen von quantenmechanischen Materiewellen direkt in Ort und Zeit zu sehen und zu kontrollieren, dürfte einen Paradigmenwechsel in der Erforschung des Nanokosmos auslösen und künftige Technologien etwa superschneller Lichtwellen-getriebener Nanoelektronik inspirieren.

Das neue Verfahren wird in der nächsten Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“ vorgestellt
(DOI: 10.1038/nature19816).

Ansprechpartner für Medienvertreter:
Prof. Dr. Rupert Huber
Universität Regensburg
Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik
Tel.: 0941 943-2070
Rupert.Huber@ur.de

Prof. Dr. Jascha Repp
Universität Regensburg
Professur für Experimentelle und Angewandte Physik
Tel.: 0941 943-4201
Jascha.Repp@ur.de

Claudia Kulke | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-regensburg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Kleinste Teilchen aus fernen Galaxien!
22.09.2017 | Bergische Universität Wuppertal

nachricht Tanzende Elektronen verlieren das Rennen
22.09.2017 | Universität Bielefeld

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie